Конструкции конденсаторов для силовой электроники ZEZ SILKO

15 декабря 2015 г. в 10:53

Стремление производителей электронных устройств к постоянному усовершенствованию своих изделий приводит к тому, что возникает необходимость и возможность оптимизировать и механические решения их конструкций. Это делается не только для улучшения технических параметров устройства, но и, естественно, для облегчения монтажа всего изделия.

DC link конденсаторы с интегрированной шиной Таким примером инновационного изделия является конденсатор со встроенной шиной — busbar. Выводами конденсатора в этом случае являются не классические винтовые или гаечные выводы (рис. 1), а плоские полосовые контакты, надежно изолированные друг от друга. Эти выводы конденсатора сформированы таким образом, что они точно соответствуют части полупроводникового элемента, к которой конденсатор должен быть подсоединен. Примером успешной реализации является конденсатор, созданный для модуля SKiiP фирмы SEMICRON. Этот элемент составляет вместе со специально спроектированным конденсатором компактный блок. Конденсатор может быть, кроме того, снабжен захватами, облегчающими монтаж всего блока в труднодоступных местах (рис. 2а).


Рис. 1. DC link конденсатор: а) с гаечными выводами; б) с винтовыми выводами	Рис. 2. DC link конденсатор со встроенной шиной: а) с захватами; б) без захватов

Представителем конструкции такого нового конденсатора является конденсатор серии PVAJP 970-1/1000, то есть с емкостью 1000 мкФ и номинальным напряжением 1000 В DC. Корпус конденсатора изготовлен из алюминиевого сплава, массивные опоры обеспечивают достаточную устойчивость к вибрациям и ударам, что особенно важно для транспортной техники. Благодаря применению специальной конструкции конденсатор имеет также очень низкую собственную индуктивность — менее чем 25 нГн. Этот конденсатор снабжен шиной с тремя парами выводов, удобных для подсоединения к модулю SKiiP с корпусом S 33 (рис. 2а). Другим вариантом этой конструкции является тип PVAJP 972-0,9/800 с двумя парами выводов, предназначенный для модуля SKiiP в корпусе S 23 (рис. 2б) на охлаждающем радиаторе PX 16. Благодаря тесному сотрудничеству производителя конденсаторов с заказчиками возникают новые изделия, полностью отвечающие всем запросам клиентов и международным стандартам.

Полипропиленовая пленка для конденсаторов MKP со специальной металлизацией

Диэлектрическая система современных конденсаторов — это широко известная самовосстанавливающаяся система MKP. То есть металлизированная в вакууме полипропиленовая пленка, на которой в случае пробоя диэлектрика происходит испарение незначительного количества металлизации электрода вокруг места пробоя, и конденсатор может далее работать. В конденсаторах, предназначенных для силовой электроники, применяется полипропиленовая пленка со специальной металлизацией, которую называют клиновитой. Это означает, что сопротивление металлизации электрода отличается по ширине секции. Вблизи края секции, где поступающий в секцию ток наибольший, сопротивление металлизации низкое. В направлении к противоположной стороне электрода сопротивление металлизации повышается. Высокое сопротивление металлизации означает более тонкий ее слой, а значит, и более простую регенерацию в случае пробоя. Этим достигаются лучшие регенерационные свойства конденсаторов и, таким образом, их более высокая надежность и долговечность

Полипропиленовая пленка, применяемая в конденсаторах для силовой электроники, кроме того, имеет так называемый волнистый край (рис. 3).

Это означает, что край пленки, из которой намотана секция конденсатора, обрезан специальным устройством. Такой край пленки способствует лучшему контакту верхней части секции, что особенно важно по отношению к конденсаторам для силовой электроники, у которых номинальные токи или пиковые выбросы бывают намного выше, чем у обычных силовых конденсаторов.

Рис. 4. Моделирование: а) многосекционный прямоугольный конденсатор; б) односекционный конденсатор

Рис. 3. Эффект волнистого края полипропиленовой пленки; Рис. 5. Конденсатор: а) модель конструкции в программе CAD; б) реальный прототип

Проектирование и конструирование конденсатора с применением современных методов

Расчет нагрева и распределения температур в конденсаторе

Коллектив конструкторов и разработчиков чешской компании ZEZ SILKO (www. zez-silko.cz) применяет в своей работе новейшие компьютерные программы для проектирования и конструирования новых изделий. Кроме обычных чертежных программ речь идет также о специальном ПО, которое позволяет провести расчет и графически изобразить с помощью определенных математических моделей распределение температур внутри конденсатора.

Для расчета нагрева необходимо знать физические свойства применяемых материалов, то есть в данном случае полипропиленовой пленки, полиуретановой массы для заливки, соединительных деталей, изоляционных материалов и материала корпуса. А также требуемую нагрузку конденсатора согласно технической спецификации заказчика, то есть изменения напряжения и тока, частоту коммутаций и температуру окружающей среды.

Собственно порядок вычислений, если описать упрощенно, происходит следующим образом. Сначала в системе CAD создается геометрическая модель изделия. Потом нужно задать входные параметры — константы примененных материалов, то есть прежде всего теплопроводность, теплоемкость и плотность. Кроме того, необходимо определить потери мощности нагрузки и, не в последнюю очередь, определить граничные условия, что в нашем случае означает специфицировать температуру окружающей среды, скорость протекания воздуха, и т.д. В результате получаем пространственное представление температуры в каждой точке модели (рис. 4). Основываясь на этой визуализации, можно скорректировать геометрическую модель конденсатора и оптимизировать его конструктивные особенности (рис. 5а), с тем, чтобы без создания различных опытных образцов перейти непосредственно к производству (рис. 5б).

Виртуальное моделирование условий эксплуатации продукта является очень эффективным инструментом для ускорения процесса внедрения нового типа конденсатора в производство.